Spørg Fagfolket: Hvorfor eksploderer astronauter ikke i rummets vakuum?
Vores læser Pawel Dzierzynski spørger:
Hvorfor eksploderer astronauter og/eller luftskibe ikke i rummet, hvis rummet er noget, der minder om vakuum?
Astronauter fortæller, at hvis der går det mindste hul i deres rumdragt, så ville de dø øjeblikkeligt pga. trykforskellen.
Mit spørgsmål er så: Hvis dette vakuum er i stand til at sive luft ud så hurtigt, hvordan kan det være muligt, at selve astronauten og rumdragten ikke eksploderer pga. den store trykforskel mellem rummet og ham selv inde i rumdragten?
Læs også: Spørg Fagfolket: Skal astronauterne sidde stille i kapslen for ikke at ændre kurs?
John Leif Jørgensen, professor på Institut for Rumforskning og Rumteknologi på DTU Space, svarer:
Trykket ved Jordens overflade stammer fra lufthavet over os og er i gamle enheder 1 atmosfære, eller 101.325 pa (pascal), svarende til trykket fra en 10 meters vandsøjle.
I en ruteflyver sænkes trykket betydeligt til 70.000 pa eller 70% af trykket ved havets overflade for at sænke flyets vægt og dermed spare brændstof. Trykket uden for kabinen i 10 km højde er imidlertid 26500 pa eller 26%, så flyets vægge skal optage en trykforskel på næsten ½ atmosfære.
Et rumfartøj, eller dragten på en astronaut på rumvandring, skal optage en trykforskel på maksimalt det dobbelte af et normalt fly.
Også for rumkapsler sænker man kabinetrykket for at spare, men for rumdragter bruger man endnu et kneb: Det vigtige for et menneske skal føle sig godt tilpas og have fuld arbejdsevne, er ikke lufttrykket selv, men derimod partialtrykket af ilt.
Ved havets overflade, 101.325 pa, udgør ilten 21% og yder derfor 21% af trykket, dvs. et partialtryk på 21.278 pa. Med et tryk på 70% af trykket ved havets overflade vil næsten alle være veltilpas, så en rumdragt skal derfor kun bære en trykdifferens på 15% af standardatmosfæren, 15200 pa hvis man bruger ren ilt (eller minde end 30% af, hvad et flyskrog skal bære).
Læs også: Spørg Fagfolket: Er mørkt stof ikke blot almindelige molekyler i det interstellare rum?
Huller på dragten forekommer
For ISS' dragter er trykket dog øget til det dobbelte for at øge sikkerheden (og pre EVA nitrogen depletion breathing-perioden). Ved et så lavt tryk er vands kogepunkt (hvor astronautens sved og spyt koger) kun 52C. Dvs., at astronauten taber mere væske end normalt, og luften i dragten indeholder en masse vanddamp, så kondensation på kolde dele af dragt og hjælp bliver i stedet hovedproblemet.
Dit andet spørgsmål er derimod langt vanskeligere at besvare: Hvad sker der, hvis en astronaut bliver udsat for absolut vakuum?
Antag, der går et lille hul på dragten (hvilket sker ind imellem). Hvis hullet kan ses, lappes hullet med en strimmel tape på stedet, og man returnerer til ISS hurtigst muligt. Hvis hullet ikke kan lappes, vil luftforsyningen i dragten forsøge at opretholde trykket længst mulig, og så er det med at komme ind i en ruf. Lykkes det ikke, vil trykket falde under den grænse, hvor astronauten mister bevidstheden (10.000-12.000 pa).
Spyt og væske i øjne og luftvejen begynder at koge ved 1400 pa, og gasser i mave og tarme udvides voldsomt, så her bliver det virkeligt ubehageligt. Men som sagt er astronauten for længst bevidstløs, og en egentlig eksplosion er der ikke tale om.
Læs også: Se handsken, der rørte Månen som den sidste
Mange lag i rumdragten
En rumdragt består af mange lag, det yderste er af 'Beta Cloth', som er vævet af silica-fibre og derfor ikke er brændbart. Dette lag skal beskytte astronauten mod sol-stråling, små meteoritter, riv og and skader fra skarpe genstande, men er ikke trykbærende (dvs. der er vakuum på begge sider). Herefter kommer en række funktionelle lag, som sikrer forskellige funktioner: Elektriske forbindelser, tryknet, luftbarriere, termisk kontrol-lag og inderdragten.
Det er luftbarrieren, der holder luften inde hos astronauten. Denne barriere er lavet i en blød luftæt gummi som neopren. Tryknettet udenpå forhindrer, at luftbarrieren puster sig op som en ballon. Tryknettet er lidt mindre end 'ballonen', så sidstnævnte holder sig bøjelig og ikke modarbejder astronautens bevægelser.
Hvis man nu forestiller sig, at man bliver ved med at øge trykket inde i dragten, så den til sidst eksploderer, vil følgende ske:
1) Når trykket stiger, vil ballonen presses hårdere mod tryknettet, á la fyldet i en spegepølse med net, og astronauten vil få svært ved at bevæge sig.
2) Til sidst vil tryknettet give efter, men først ved et tryk, der er 100 gange højere end normalt. Det er forventeligt, at dette vil ske lokalt f.eks. ved en albue, hvorefter ballonen vil presse mod den langt stærkere Beta Cloth, der kan tage et tryk på 50 gange trykket ved havoverfladen. Så astronauten får nu en opsvulmet stiv arm.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvordan genereres der ilt i fly?
Dragten kan revne - den eksploderer ikke
3) Hvis trykket øges yderligere, vil hele nettet give efter, og nu vil hele dragten svulme op og blive stiv.
4) Hvis astronauten ikke lukker lidt luft ud, f.eks. fordi sikkerhedsventilerne er blevet blokeret, vil dragten kunne revne, men ikke som en ballon, men ved at en af syningerne i Beta Cloth'en revner, og luften lukkes ud.
Astronauten, der ånder ren ilt i dragten, vil opleve dykkerrus, når trykket overstiger ca. 1 atm (101.300 pa), så sikkerhedsventilerne er sat lavere end dette niveau.
Eller helt kort: Dragten er fantastisk stærk og eksploderer ikke. Den kan klare tryk, der langt overstiger, hvad astronauten kan klare. Uden tryksat rumdragt ville astronauten dø af iltmangel, og som forklaret ovenfor, betyder kapslens tryk intet i den sammenhæng.
